计算机声学模拟技术在多功能礼堂改造中的应用

2012-09-20中国人民解放军72671部队王广州鑫济南大学张乐娟

智能建筑与智慧城市 2012年11期

文｜中国人民解放军72671部队房勇王广州聂鑫济南大学张乐娟

1 引言

随着计算机技术的发展，人们开始运用计算机声学模拟技术来计算各种声学参量，这使得许多无法估算的音质参量可以通过计算机模拟来获得，从而令厅堂音质设计得到了巨大的进步。小型多功能礼堂的扩声一般以会议、演讲、报告等语言扩声为主，同时兼顾文艺演出活动的扩声；不同的应用模式对建声和电声的要求不同，因此在初期建筑设计时要考虑多种应用的结构需求，在装修时要照顾不同应用模式对建筑声学的基本要求，并在此基础上配合电声器材的调整，建立扩声系统。

本文将以某小礼堂的改建为例，介绍如何利用CAD/EASE仿真模拟技术分析原有礼堂在声学设计方面的不合理因素，进行改建礼堂的声场模拟，从建筑结构、装修要求、扩声系统选配、现场调音等方面进行合理的设计，满足人们对高清晰、高保真音频的需求。

2 声学模拟的关键项目

德国ADA声学设计公司的EASE软件有着丰富的频率选择和模拟项，其中音箱布置图、声场图、观众席听音区的混响时间、总声压级图、快速语言传递指数模拟图、辅音清晰度损失率模拟图等六项对声场分析有关键作用。

（1）音箱布置图

用于表示音箱的设计布置方式和主轴声线所指向的位置，需设置音箱位置、俯仰角等参数，这是声场模拟的基础，可根据模拟的情况进行调整。

（2）声场图

用于表示建筑环境中各频率声音的声场分布、声场均匀度和最大声压级是否达到标准。听音者在室内声场听到的是直达声、近次反射声和混响声组成的综合声，后文三种声场图中的数值都是在混响声场中计算出来的；在系统不变的情况下，由于建声条件的影响，其结果和系统完成后的实际测量值会有差异。

（3）总声压级图

用于表示建筑环境中各频率声音的声场分布、声场均匀度和最大声压级是否达到标准。对于不同频率的声音，室内装修界面的反射系数有所不同，带来的衰减量也不相同；因此不同频率的声音有着不同的声压级图（本文重点取1kHz频率的声音来说明）。

（4）快速语言传输指数（Rapid SpeechTransmission Index，RASTI）

快速语言传输指数是语言清晰度的一种表现形式，反映语言传输系统的客观属性，用于测定与可懂度有关的语言传输质量。EASE的语言清晰度计算是基于如下条件，对模拟实际讲话人声学特性的测试信号调制指数Mi，以及测试信号由位于讲话人位置的声源传输到听音点上的传声器的调制指数Mo，以RASTI法计算得出指数值：

◆ 建声上，模拟图中的混响时间频响曲线与实际的混响时间频响曲线接近（由于EASE吸声材料数据库中所提供的资料与实际装修所用材料有所差别，所以得到的混响时间模拟图会与实际混响时间频响曲线有所差别；因此在建模时，应尽可能选择与实际装修材料的吸声系统相接近的材料，使得到的混响时间模拟图与实际混响时间频响曲线相接近）；

◆ 电声上，所有选用的扬声器都处在正常的工作状态下。

一般情况下，EASE模拟计算值0.60～1为非常好，0.45～0.6为良好，0.3～0.45为较差，小于0.3为不能接受。一般RASTI大于0.45为好。

（5）辅音清晰度损失率模拟图

由于人们讲话发声的母音的能量（如a、o、e、i、u）比辅音（如 b、p、m、f）高约6dB，发声时间（一般为90ms）比辅音长约70ms，所以因辅音听不清楚而影响语言清晰度是经常出现的情况。辅音清晰度损失率（ALc%）是一种语言清晰度的度量工具，其值越小，意味着语言清晰度越高。语音清晰度的优劣主要取决于声音1kHz～2kHz频率成分的表现。通过测量和计算，得到声音1kHz～2kHz频率成分的能量损失率，再经EASE运算，即可得到辅音清晰度损失率。在EASE中，辅音清晰度损失率0%～7%为非常好，7%～11%为良好，11%～15%为清晰，15%～18%为较差，18%以上为不能接受，一般应小于15%。

3 某小礼堂的声学模拟分析

某小礼堂舞台深7m，宽15.2m,距地面高0.6m，两侧设计为设备控制室和茶水房，没有演出需要的侧台，没有安装舞台灯光和机械幕布；地面铺设地毯，顶面为石膏板，墙面为穿孔铝塑板，后面为三合板基板和阻燃棉。

会议区长30m，宽20m，平均高度为6.6m，西墙面上装有3.5m×1.2m的玻璃窗户14个，东面墙为细木工板上粘贴的铝塑板。整个会场地面平整，装有260个座椅，是一个典型的非标准礼堂。

在这样的建声环境下，台口及会议区中部、后部共平均分布地安装了六个BOSE 502A会议音箱，台口左侧安装了一个BOSE 502B低音箱。

3.1 模拟分析

在进行正式分析之前，首先要在EASE中将所有音箱放置在相应安装位置，并调整其指向，以贴合设计需求。由于EASE中并不包含对超低音音箱的分析（分析频率下限为125Hz），本文的分析结果代表的是观众席区域的扬声器和前场补声扬声器所产生的声场性能。

（1）图1、图2为扬声器布置图及音箱声线覆盖图。

（2）图3、图4为总声场声压级分布值图。

（3）图5为1kHz声音的快速语言传递指数模拟图。

（4）图6为1kHz声音的辅音清晰度损失率模拟图。

3.2 分析结果

（1）总体分析结果

总体分析结果如表1所示。

（2）声学指标

声学指标如表2（引用GB 50371-2006规定）所示。

（3）快速语言传输指数

快速语言传输指数如表3所示。

（4）辅音清晰度损失率

辅音清晰度损失率如表4所示。

（5）混响时间

结合实际装修情况，取得侧墙、顶棚装修材料的声学参数，将这些部位的吸声材料对降低房间混响时间的作用考虑在内后，使用EASE软件计算出1kHz声音的混响时间为1.05s。此模拟计算结果符合此类多用途礼堂装修混响时间一般不宜超过1.2s的要求。

3.3 分析结论

根据以上计算机仿真分析结果，对照扩声系统设计目标，有以下结论：

◆ 125Hz～4kHz范围内的最大声压级高于93dB——在语言人声频率的一般范围，即200Hz～2kHz范围内的最大声压级是高于98dB的，因此礼堂可以达到国标人声扩声一级标准的要求，但是远达不到演出时对声压级的要求，并且现场实测最大声压级达不到90dB；

表1 总体分析结果表

表2 声学指标表

表3 快速语言传输指数表

◆ 语言清晰度符合EASE参考手册要求，听众区域语言清晰度为“非常好”，但主席台上的声压级较小，主席台返听效果不理想；

◆ 传输频率特性也完全达到标准的要求（如表2所示）；

◆ 声场不均匀度达到设计目标（如表2所示）；但是，尽管BOSE 502音箱的五个纸盆单元具有不同的朝向，实际测试中还是有些区域声场不均匀——这与装修的具体情况有关；

◆ 音箱摆位简单，数量稀少；整个声场仅有双声道的效果，不满足多用途类扩声系统对声学特性指标的要求。

4 改建方案

4.1 改善基础结构，满足基本需求

根据需求，小礼堂要由可容纳260个座椅扩容至最少可容纳350个座椅，要支持语言扩声，兼顾文艺演出，在舞台的设计上要能满足小型文艺演出活动对灯光和音响的要求。建筑声学设计主要体现在礼堂的体形设计和装修设计上——基于上述需求，对礼堂进行扩建：拆除原有的舞台后墙，将之向外扩出13m，从而形成舞台长11m，宽15m，会议区长40m，宽20m，舞台两侧各保留2.5m的侧台的空间设计；安装宽12m，高4.2m的LED电子显示屏作为背景墙，在背景墙后设演员通道，将两侧设计为舞台侧台、化妆间和服务区；把控制室调整到会议区二楼的电影放映间，通过监控系统和观察窗对整个会议室进行全面掌控。

表4 辅音清晰度损失率表

4.2 安装舞台灯光和机械幕布，增强演出效果

舞台灯光按功能分为基本光和效果光。基本光由面光、顶光、逆光和侧光组成，效果光由电脑灯、LED灯产生。

（1）面光即自观众顶部正面投向舞台的光，主要作用为提供舞台上人物的正面照明及舞台基本光铺染，以保证观众能看清演员艺术形象的立体效果。

（2）顶光即自舞台上方投向舞台的光，由前到后分为一排顶光、二排顶光、三排顶光等，主要用于舞台普遍照明、舞台照度增强。

（3）逆光即自舞台背景墙方向投射的光，可勾画出人物、景物的轮廓，增强立体感和透明感，也可作为特定光源。

（4）侧光光线从高处两侧方向投到舞台上，即从侧边照射表演区，主要用于人物、景物的两侧面照明，人物、景物立体感、轮廓感的增强。

根据舞台面积及高度设计一道面光，安装22只19度成像灯，在舞台上空设8道灯光电动吊杆：设3道顶光灯，每道设计8只2kW的聚光灯和7只36W×4三基色灯；设2道逆光灯，每道设计24只LED灯；设2道电脑摇头灯吊杆，每道设计6个电脑摇头灯；设1道天排灯电动吊杆，设计12个天排灯。侧光灯设计安装在侧光排架上，舞台每侧一道，包括8只LED灯和6只冷光灯。

4.3 按照建筑声学的一般规律，重新进行声学装修

会堂、报告厅、演讲厅、会议厅等的建筑声学设计，在声学要求、设计指标和声学处理方面都有共通之处——其设计均是以语言清晰度为主要着眼点，遵循强吸声、短混响原则，多用扩声系统使听众获得足够的声压级，还需要实现均匀的声场分布。这些场所一般是按照多功能礼堂的形式进行设计，通常选用折衷的音乐指标，也就是同时兼顾语言清晰、音乐丰满两个方面的要求。

4.3.1 建筑声学的要求

建筑声学指标要求主要是为了改善声学环境，把装修与建筑声学有机结合起来的总体要求。

（1）厅内应有良好的隔声、隔振措施。《民用建筑隔声设计规范》规定，一级多用途大厅动态的本底噪声级应不高于40dB。

（2）各厅内建筑门窗、吊顶、玻璃、座椅、装饰物等设施不得有共振现象；厅内不得出现回声、颤动回声、房间驻波和声聚焦等缺陷，声场扩散应均匀。

（3）对于500Hz～1kHz的中频声音，混响时间在1.2s左右为宜；对于125Hz～250Hz的低频声音，为使声音听起来浑厚温暖，混响时间需较中频声音提升20%以上。

（4）舞台是声源所处的位置，声学条件犹为重要，要有控制混响、消除音质缺陷和节约自然声能三个方面的考虑。

4.3.2 建筑装修措施

（1）四周墙壁、地面及吊顶的吸声处理：舞台后面和舞台对面墙上安装强吸音装饰面，窗户安装厚窗帘；会场墙面（包括窗户之间）采用木制装修材料，填充吸音绵等吸音材料；吊顶采用双层纸面石膏板材料。

（2）四周墙壁及吊顶的隔声处理（为保证获得良好的听声环境，需进行严格的隔声处理）：钢架与墙体之间、屋顶和四周墙壁面结合处严格密封；轻体墙结构、简单轻钢龙骨墙做一层隔声结构层；玻璃窗使用加厚窗户和中空玻璃；所有门使用加厚门或专用隔声门；管道穿墙处使用喷涂式泡沫隔声材料遮挡严实，产生噪音的风机管道进行专业降噪处理。

4.4 利用计算机进行声场模拟，配置电声设备

电声设计是利用音响设备达到改善音质的目标、完成扩声功能的基础。在某些特殊情况下，电声设备可以对建声的缺陷进行补偿。

该礼堂是以会议、发言应用为主，文艺娱乐演出为辅的厅堂，所以其扩声系统既要满足语言扩声对语言清晰度的要求，也要满足演出对音乐丰满度的要求。礼堂的会议模式分为两种，主席台式和圆桌会议式；扩声系统应满足这两种模式的扩声需求。

4.4.1 电声设备配置方案

采用模拟仿真设计验证和推算扩声中最重要的音箱部分的参数、安装位置、数量，确定系统初步配置方案。

配置四只全频主音箱，分为两组装置于舞台上方左右两侧，起到主要扩声的作用。由于礼堂是平行于地面，而非阶梯状的；主音箱的摆放都应该尽可能地升起，缩小因主音箱辐射角造成的观众所受主音箱辐射的能量差异，并尽可能地利用室内其他的反射表面来加强后座的声能。

主音箱下方左右两侧各落地摆放一只超低音音箱和拉声像音箱。拉声像音箱与主音箱结合，实现声像定位作用。语言扩声与文艺娱乐演出扩声对语言清晰度和丰满度的要求不同，在使用中，操作人员可根据实际情况来决定是否开启低频音箱。

四只台唇补声音箱隐藏于舞台台口下方，主要对中前方区域起补声的作用。两只返听音箱放置于舞台台口两侧，用于使舞台上的表演者、发言人监听到自己的声音。两只补声音箱设置为流动形式；在观众区和舞台上预留接口，方便以后按需使用。

当礼堂做为一个大型圆桌会议室使用时，如还使用主席台式扩声方式显然不合适，所以在观众区布置六只壁挂会议专用音箱。

4.4.2 声场分析图

（1）图7、图8为扬声器布置及音箱声线覆盖图（共四只EAW MK5364主音箱，两只EAW FR159Z拉声像音箱，四只EAW UB22Z台唇补声音箱，六只补声音箱）。

（2）图9为1kHz声音的总声场声压级分布值图。

（3）图10为快速语言传递数模拟图。

（4）图11为1kHz声音的辅音清晰度损失率模拟图。

4.4.3 分析结果

对各个频率进行分析，结果如表5所示。

根据以上计算机仿真分析结果，对照扩声系统设计目标，有以下结论：

◆ 80Hz～8kHz范围内的最大声压级高于113dB，达到目标；

◆ 语言清晰度符合EASE参考手册要求，听众区域语言清晰度为“非常好”；

◆ 传输频率特性（以80Hz～8kHz范围内的平均声压级为0dB，在此频带内允许-2.46dB～+2.24dB；以125Hz～4kHz范围内的平均声压级为0dB，在此频带内允许-2.75dB～+2.25dB）也完全达到标准的要求；

◆ 声场不均匀度（100Hz时为1.78dB，1kHz时为4.6dB，6.3kHz时为3.24dB）达到设计目标。

根据以上结果可以说，本设计声场模拟分析数据达到并超过GB 50371-2006规定的一级标准。无论是文艺演出模式还是会议模式的各相关指标均满足该礼堂声学设计及测量规程中一级扩声标准的要求。

4.4.4 几点经验

（1）在初步设计时，建筑声学要和电声学紧密结合起来。在礼堂建设之初，甚至是在创意阶段，就应该邀请声学专家和音频系统设计师加入建筑设计队伍，以便建筑声学和电声设计在基础规划阶段就能得到加强。建筑师和声学设计者都有必要了解建筑形体、建筑材料对音质的影响，只有建筑设计和声学设计者密切配合，才能创造性地发挥出最高水平。

（2）在装修阶段，装修设计要和电声学密切配合。与国内大多数设计者和用户一样，该礼堂更强调装饰效果，很多音箱都采用暗藏式安装。在这种情况下，选用阻声性能小的装饰网非常关键；这就要求音响工程承包者提出相应的要求与设计，并要求装修方一起配合，共同分析礼堂的声场情况，对装修材料提出合理要求，再配以合理的电子声学设计，才能取得良好的效果。